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计算模块印制电路板的热设计和热仿真分析

所属栏目:电子技术论文 发布日期:2019-09-23 09:39 热度:

   摘 要:首先建立了某电子设备计算模块印制电路板的三维模型,然后依据热传学理论,使用有限元分析软件ANSYS Workbench 对三维模型进行了热仿真分析,最后获得了计算模块印制电路板的温度场,热分析结果为印制电路板的结构设计及布局提供了参考。

  关键词:印制电路板;热仿真分析;ANSYS Workbench;温度场

计算模块印制电路板

  0 引言

  近年来,随着先进制造技术在电子设备生产过程中的应用,电子设备已经向便携式、集成化、高密度和高运算速度方向发展,印制电路板(PCB)上元器件的数量和集成度不断增加,功率损失也相应增加,同时导致单位体积电子元器件的发热量增加[1] 。鉴于电子设备的高度集成性、计算快速性和运行稳定性等要求,对电子设备的热设计要求也越来越高。相关统计数据显示,55%的电子设备失效与过高的热环境应力有关。热问题已成为影响设备使用性能和运行可靠性的关键因素之一[2] 。 PCB作为电子设备的重要组成部分,其设计合理与否直接影响设备的性能高低,严重时甚至会损坏电子设备[2] 。因此,对PCB上的元器件进行热仿真分析就显得十分必要。电子设备的热分析通常分为系统级、板级及封装级3个层次。本文研究对象为某电子设备计算模块印制电路板,属于板级热分析的范畴[3-4] 。现首先建立某电子设备计算模块印制电路板的三维模型,然后依据热传学理论,使用有限元分析软件ANSYS Workbench对三维模型进行热仿真分析,获得计算模块印制电路板的温度场,根据热分析结果为印制电路板的结构设计及布局提供参考。

  1 建立印制电路板的三维模型

  1.1 模型的简化假设实际的计算模块印制电路板是由元器件和印制电路板基板组成,为了能够进行热分析,必须对PCB结构进行合理简化,使其成为仿真分析模型[5] 。首先,对于PCB上外形结构小的电阻、片式电容,由于其体积小、热容量小,产生的热量对整个PCB的温度分布影响不大,在计算时可将其忽略。其次,对于PCB上外形结构较大的发热元器件,由于其封装和材料性质不同,必须对其结构进行简化;对于外形结构规则的器件,在热分析时忽略其引脚,并用长方体或圆柱体代替。最后,印制电路板基板通常是复杂的多层结构,在建模时主要考虑其层数以及基板上金属布线对PCB性能的影响,且忽略板上各种小的圆角、倒角及孔洞等细微结构[5] 。

  1.2 建立热仿真分析模型依据表1中的数据,本文首先利用NX8.0软件设计了两种 PCB的三维模型,一种是将两类4个发热器件并列布置,如图 1所示。另一种是将两类4个发热器件交叉布置,如图2所示。

  2 印制电路板的热仿真分析

  2.1 传热学理论在热力学中,能量守恒定律亦称为热力学第一定律[6] ,即: Q-W=ΔU+ΔKE+ΔPE (1)式中,Q为热量;W为功;ΔU为系统内能;ΔKE为系统动能; ΔPE为系统势能。对于多数工程传热问题:ΔKE=ΔPE=0,通常认为没有做功:W=0,则Q=ΔU。在稳态热分析情况下:Q=ΔU=0;

  2.2 热仿真分析基本传热方式有热传导、热对流和热辐射3种方式。在 ANSYS Workbench中可以进行稳态和瞬态两种热分析,常见的载荷共6种:温度、热流率、对流、热流、热生成率、热辐射[6] 。

  3 热仿真结果分析

  在不同工况和不同布置方式下,印制电路板工作时各元器件的热分析结果如表3所示。根据表3的热分析结果,可获得不同布置方式和散热条通过分析表3和图9的数据可得:(1)在自然条件和通风条件好的散热情况下,印制电路板 上 的 最 高 温 度 依 次 为 105.23 ℃ 、103.04 ℃ 、87.05 ℃ 、 85.297 ℃,均超过了设备长期运行时的允许温度,不能满足使用要求。改善散热条件,在有散热风扇的情况下,电路板上的最高温度依次为77.249 ℃、75.216 ℃,均没有超过设备长期工作时的允许温度,满足使用要求。(2)在相同的工况条件下,发热元器件并列布置方式的最高温度均低于交叉布置方式,两种布置方式的温差约为2 ℃。(3)在有散热风扇条件下,发热元器件并列布置方式的最高温度与最低温度差为41.73 ℃,低于交叉布置方式的最高温度与最低温度差45.3 ℃。并列布置方式的电路板由温差引起的变形小于交叉布置方式。

  4 结论

  本文利用有限元分析软件ANSYS Workbench对计算模块印制电路板进行热分析,结果表明:(1)不管是并列布置方式还是交叉布置方式,在自然和通风条件好的散热工况下,电路板上的最高温度均超过了工作时的允许温度,不能满足设备长期运行要求。当有散热风扇时,电路板上的最高温度均低于运行的允许温度,满足设备长期运行要求。在设备设计时,需要加装风扇进行散热。(2)在相同的工况条件下,发热元器件不同的布置方式会产生不同的温度分布,并列布置方式下的最高温度、温差、变形均小于交叉布置方式。因此在电路板设计时选择发热元器件并列布置的方式。本文通过对印制电路板进行热仿真分析,可以为电路板的设计提供一定的理论依据,同时为设备的散热提供了参考,对后期设备的研发具有重要意义。

  [参考文献]

  [1] 马岩.印制电路板详细模型的热仿真分析[J].机械设计与制造工程,2016,45(1):52-55.

  [2] 张世欣,高进,石晓郁.印制电路板的热设计和热分析[J].现代电子技术,2007,257(18):189-192.

  [3] 黄云生.电子电路PCB的散热分析与设计[D].西安:西安电子科技大学,2010.

  《计算模块印制电路板的热设计和热仿真分析》来源:《机电信息》,作者:令狐克均、饶应明、刘忠翔、李杨。

文章标题:计算模块印制电路板的热设计和热仿真分析

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